Advanced Optical Materials:基于高长径比等离激元纳米异质结构的近红外二区光学相干层析成像

近年来,具有高的生物组织穿透深度的近红外光被广泛的应用于各种生物成像中。相比于可见光(450-650 nm)与近红外一区光(650-950 nm,NIR-I),近红外二区光(950-1700 nm,NIR-II)在生物组织内的受到的吸收和散射更小,且生物组织的背景荧光更弱。这使得基于NIR-II区的生物成像技术备受关注。其中,相比于其它成像技术,光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)具有无损、成像深度大、以及成像分辨率高等优势,被广泛应用于临床医学诊断和研究。然而,由于生物组织的折射率差别较小,使得OCT成像质量的对比度较低,限制了其成像灵敏度。提升OCT成像质量的一个有效途径是添加具有高光散射截面的外源造影剂。等离激元(Surface Plasmon:SP)金属纳米结构处于共振激发时,表现出极高的光散射截面,该特点使其成为了备受关注的NIR-II区OCT造影剂。目前,用于NIR-II区OCT造影剂的SP纳米结构主要以金纳米结构为主(如金纳米棒、金纳米壳、金三角板、金纳米环和金纳米双锥等)。与同尺寸的金纳米结构相比,银纳米结构具有更窄的SP共振峰宽和更高的光散射截面,使其在做为OCT成像造影剂方面具有更大的优势。然而,目前已有的银纳米结构的SP共振峰位很难调节至NIR-II区。另一方面,银纳米结构的细胞毒性和不稳定性,更是限制了其在生物医学领域的应用。

针对上述问题,中国中山大学电子与信息工程学院邓少芝教授研究团队通过两步湿法化学生长法,制备了一种高长径比(> 8)的SP银纳米异质结构(AgNR@mSiO2)。该异质结构为核壳结构:由外延生长于金纳米双锥的银纳米棒做为核、由均匀的介孔二氧化硅包覆层做为壳层。由于其高的长径比,该异质结构的SP共振峰位于1330 nm,并表现出极大的光散射截面(3.7×105 nm2),为目前已报道的OCT纳米造影剂的最大值。同时,介孔二氧化硅壳层的存在,隔绝了银纳米棒与外界环境的接触,使得异质结构表现出优良的生物相容性和稳定性。在此基础上,研究团队与中山大学生物医学工程学院周建华教授课题组展开合作,将AgNR@mSiO2纳米异质结构做为造影剂,应用于OCT增强成像。体外模型成像的实验结果表明,在中心波长为1310 nm的成像激光照明下,AgNR@mSiO2纳米异质结构可显著提高OCT的成像对比度与成像深度。进一步,由于该异质结构优秀的生物相容性,采用鱼眼和鸡动脉血管做为体内动物实验模型,同样获得了高质量的NIR-II区OCT成像 研究者相信,此项研究展示了银基SP纳米结构作为NIR-II区OCT成像造影剂的优势,从而为发展基于散射成像的NIR-II区高质量成像造影剂提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202000384)上。